井斜对钻具影响理论在轮古13井钻具刺漏原因分析中的应用.docx

钻井工艺井斜对钻具影响理论在轮古 13 井钻具刺漏原因分析中的应用郭海清1 ,马永安2(1 塔指工程技术服务公司2 塔指第三勘探公司)摘 要 : 轮古 13 井在 05 450 m 井段使用一套 Ø127 S135 钻杆钻进 ,在钻进过程中共发生 Ø127 钻杆加厚过渡带 (公 、母接头附近) 刺漏 17 根次 。经完井电测发现 ,该井在 1 900 m 处有严重的狗腿现象 ,达 5172°/ 30 m。井斜对 钻具的影响有关理论已经证明 ,如果井斜角大于某一临界值 ,在狗腿处旋转钻杆将会引起严重的疲劳破坏 。不会 引起疲劳破坏的狗腿最大允许曲率可由公式计算得出 。应用该理论中的公式进行计算得出 ,轮古 13 井频繁发生刺漏的主要原因就是井斜的影响 。关键词 : 轮古 13 井 ; 刺漏 ; 井斜 ; 临界值 ; 原因中图分类号 : TE 21文献标识码 : A文章编号 : 1006 - 768X(2003) 03 - 001 - 04该井在 05 450 m 井段使用一套 Ø127 S135 钻杆钻进 。4 854 . 485 450 m ,在钻进过程中共发生 Ø127 钻杆加厚过渡带 ( 公 、母接头附近) 刺漏 17 根 次 ,且刺漏位置均处于 1 867 1 972 m 之间 ( 见表1) 。经完井电测发现 ,该井在 1 900 m 处有严重的狗腿现象 ,达 5 . 72°/ 30 m (见表 2) 。轮古 13 井是一口位于塔里木探区轮南古潜山构造带上的预探井 ,设计井身 5 700 m ,设计井身结 构为 Ø24415 ×500 m + Ø17718 ×5 450 m + Ø127 尾管×(5 240 m5 698 m) 。该井于 2001 年 4 月 28 日开 钻 ,钻至 8 月中旬井深达 5 450 m ,经电测因井斜严重超标而填井侧钻纠斜 ,于 12 月底侧钻至原井深后 下入了 Ø178 套管 。表 1轮古 13 井钻杆刺漏统计收稿日期 : 2002 - 12 - 02 ; 修回日期 : 2003 - 03 - 27作者简介 : 郭海清 (1971 - ) ,1991 年毕业于中原石油学校钻井专业 ,长期从事钻具 、工具 、井控设备等的管理与技术服务工作 ,现任塔里木 工程技术服务公司生产管理部副主任 。联系方式 : (814000) 新疆库尔勒市 93 号信箱塔指工程技术服务公司 , :0996 - 2179041 。序号起止时间当时井深/ m泵压变化/ MPa被刺位置损失时间/ h钻杆本体被刺位置17 月 1 日 00 :457 月 2 日 08 :0048541481714 15121902m 处31125距母接头62cm 处刺穿27 月 3 日 17 :407 月 4 日 19 :3049181631715 14191923m 处25183距公接头 55cm 处刺穿37 月 8 日 20 :507 月 9 日 17 :3550071041918 16171887m 处20175距公接头54cm 处刺穿47 月 12 日 22 :257 月 13 日 08 :3050581331910 16191910m 处10108距母接头69cm 处刺穿57 月 13 日 17 :357 月 14 日 03 :4050641761810 17101867m 处10125距母接头68cm 处刺穿67 月 15 日 02 :307 月 17 日 08 :0050831341815 17101924m 处53150距母接头56cm 处刺穿77 月 29 日 22 :407 月 30 日 07145527710019 17161892m 处9108距公接头70cm 处刺穿87 月 31 日日 22 :008 月 2 日 6 :35529312719 17141973m 处32158距母接头53cm 处刺穿·2 ·钻 采 工 艺2003 年(续表 1)轮古 13 井钻杆刺漏统计表 2轮古 13 井井身轨迹 (部分)© 1994-2014 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.站点测深/ m井斜/ °方位/ °垂深/ m视平移/ m东/ m北/ m闭合距/ m闭合方位/ °狗腿度/ °·30m - 1005157510011022761801574195- 5163- 8174017881782751090119006160010011162791181599194- 5192- 9122018591252751250118007162510011462801301624194- 6125- 9178019491822751510136008165010011762861101649193- 6161- 101461111101522761040142009167510021042901101674191- 6199- 111251137111332761930137010170010021432901471699189- 7140- 121161174121282771980146011172510021602941331724187- 7182- 131182112131352791160129012175010021842971051749184- 8121- 141252164141492801500132013177510031002991951774181- 8157- 151373125151712811940126014180010031483021091799177- 8191- 161583198171052831500160015182510041123051711824171- 9122- 171954191181612851290182016185010041573081861849164- 9147- 191456106201382871290161017187510031953061331874157- 9171- 201937119221132881970178018190010011191791571899155- 10102- 211627144221862891005172019192510021611631661924154- 10148- 211466164221462871191179020195010021101631981949152- 10197- 211175165211912841950161021197510021061651521974150- 11142- 201934178211472821860108022200010021061691381999149- 11190- 201743190211102801660117023202510021101711122024147- 12143- 201583101201802781310109024205010011921731322049145- 12196- 201462114201582751970123025207510011741731512074144- 13145- 201371135201422731780122026210010011691761822099143- 13194- 201310160201322711690113027212510011611751982124142- 14141- 20126- 0112201262691670111028215010011501761092149141- 14186- 20122- 0179201232671750112029217510011451781612174140- 15129- 20119- 1144201242651930110序号起止时间当时井深/ m泵压变化/ MPa被刺位置损失时间/ h钻杆本体被刺位置98 月 4 日 :22 :008 月 4 日 09 :0053061731815 17151929m 处8175距母接头 56cm 处刺穿1011 月 19 日 13 :4011 月 26 日 18 :40535910010 7161893m 处153100母接头根部刺穿 ,钻具断1112 月 7 日 16 :0012 月 8 日 03 :00519310017 15151893m 处11100距母接头40cm 处刺穿1212 月 8 日 8 :0012 月 9 日 7 :4052091251615 151899m 处23133距公接头54cm 处刺穿1312 月 10 日 23 :4012 月 11 日 12 :00523811416 131900m 处12133距公接头62cm 处刺穿1412 月 13 日 11 :3012 月 15 日 0 :00538810015 13151904m 处36150距公接头56cm 处刺穿1512 月 16 日 19 :4512 月 17 日 10 :0054501001615 13151873m 处14125距母接头60cm 处刺穿1612 月 19 日 19 :4512 月 21 日 17 :005450100无变化1893m 处45125距母接头60cm 钻具断1712 月 23 日 22 :0012 月 24 日 14 :005450100无变化1896m 处16100距公接头66cm 钻具断·3 ·第 26 卷 第 3 期钻 采工艺理论研究证实 ,最常见的钻杆损坏类型是疲劳破坏 ,它通常发生在井眼弯曲部分 ,钻杆在该弯曲部 分会产生周期性弯曲应力 。因为在狗腿处的钻杆外 壁被拉伸 ,并产生很大的拉伸载荷 ( 见图 1) ; 当钻杆 旋转半周时 ,此应力便转到钻杆的另一边 。例如此应力可由 34417 MPa 变为 - 34417 MPa ,而当钻杆旋 转一周时又达 34417 MPa ,周而复始产生较大的弯曲 交变应力 。当最大应力 (包括拉应力和弯曲应力) 达 到一定数值时 ,即会产生钻具疲劳破坏 ,尤其在坑点 腐蚀区为应力集中点 ,在钻进过程中受各种交变应力的联合作用 ,会逐渐产生微裂纹 ,并迅速发展扩大 致使钻具刺穿 、断裂 。井斜对钻具的影响有关理论已经证明 ,如果井 斜角大于某一临界值 ,在狗腿处旋转钻杆将会引起 严重的疲劳破坏 。鲁宾斯基曾发表了不少描述此临界值的文章 。在井斜角低于此临界值处旋转钻杆 ,不会引起明显的疲劳 。I 钻杆的转动惯量 , I = ( D4 - d4) 。64允许的最大弯曲应力 b 可由悬浮的拉应力计算 ,它是钢级的函数 。E 和 S 钢的弯曲应力计算公式 见式 (3) 和式 (4) , b 的有效值分别可达 46119 MPa和 91917 MPa 。对于 E 级钻杆的最大弯曲应力为 :016b = 19500 - 10-( - 33500) 2t(3)t(670) 267对于 S135 级钻杆 :tb = K11 - 145000(4)式中 : K1 、K2 计算系数 , K1 取 1500 , K2 取 5000 。当井斜变化率大于式 (1) 的计算值时 ,钻杆便会 严重损坏 。此损坏与钻杆的钢材类型 ( 铝或钢) 、腐蚀程度 、应力大小及井斜角和狗腿以下的拉伸载荷 、 旋转转速有关 。金属工艺学上已绘制了 S N ( 应 力与弯曲周数) 图 (见图 2) ,由此可确定钻杆损坏前的循环周数或转数的近似值 。在有狗腿段 ,钻杆的工作寿命百分比 fB(5)f =N式中 : f 寿命消耗百分比 ;B 钻该井段钻杆的旋转时间 ,h ;N 钻杆寿命 (断裂前的) ,h 。= 60 R ·d其中 : B(6)V式中 : R 转速 ,r/ min ;d 狗腿段长度 ,m ;V 钻速 ,m/ h 。式 ( 5) 的 N 决定于钻杆内的弯曲应力b 和张应 力 t 。图 1 钻杆旋转引起周期性破坏不会引起疲劳破坏的狗腿最大允许曲率可由下 式计算 : Tt =(7)A式中 : TA狗腿以下的拉伸载荷 ,N ;b K1 tanh KL2钻杆截面积 ,m 。C = ·L · ·( 1)ED KL E ·D ·c0bT=( 8)K2 =( 2)2EI式中 :b 张应力 ,MPa ;D 钻杆外径 ,m ;E 弹性模量 ,MPa ;c0 钻杆的最大曲率 ,rad/ m 。井眼曲率 c 与钻杆最大曲率 c0 间的关系为 :式中 : c 狗腿最大允许曲率 ,°/ 30m ;K1 系数 ,取 26138 ;E 弹 性 模 量 , 钢 的 弹 性 模 量 为105MPa ;D 钻杆外径 ,m ;2106 ×c0 = c ( K ·L )式中 : c 井眼曲率 ,rad/ m ;L 钻杆两接头间的长度之半 ,m 。( 9)L 两钻杆接头间的距离之半 , m , 对于第二列钻杆为 4157m ;T 狗腿以下的拉伸载荷 ,N ;b允许的最大弯曲应力 ,MPa ;钻杆损坏以前弯曲应力对疲劳周期的影响已被© 1994-2014 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. ·4 ·钻 采工艺2003 年完全证实 ,如图 1 和图 2 所示 。存在张应力时 ,弯曲应力对疲劳的影响更为严重 。因此对实际的弯曲应 力应乘一修正系数 。T1 = ( 4854 . 58 m - 1902 m) ×284158 N/ m ×01875 = 735240 N确定 1 902 m 点所受的拉伸应力T735240 =( 10)= 1139155 MPa=T - tt16145 ×10 - 4式中 : T 钻杆的抗拉强度 ,MPa 。图 2 中的纵坐标应是 b 和的乘积 , 即 ·b 。 由图 2 确定钻杆失效的循环周数 N , 把 N 代入式 ( 5) 以确定钻进这一井段时 , 钻杆消耗寿命的百分比 。由式 (4) S135 级钻杆在 1902 m 最大许可弯曲应力11391555000() = 1158114 MPa= 1500 1 -b1确定 1 902 m 点的 K 值735240K =2106 ×105 × (011274 - 011084) 64017642由式 (1) 计算 1 902 m 点最大允许狗腿度261381158114C=××2106 ×105 ×01127tanh (017642 ×4157)= 4105°/ 30m017642 ×4157(2) 第二次刺漏 。井深 5 450 m 刺漏位置 1 873m ,浮力系数 0 . 875 ,为简化计算 ,不考虑钻铤 、加重 钻杆 , 假 设 1 873 m 以 下 至 井 底 4 854 . 48 m 全 为Ø127 钻杆 , 壁 厚 为 9 . 19 的 Ø127 钻 杆 单 位 重 量 为284 . 58 N/ m , 内 径 01108 m , 则 截 面 为 61452 ×10 - 4m2 。确定 1 873 m 点所受的拉伸载荷T2 = (5450 m - 1873 m) ×284158 N/ m ×01875= 890699183N确定该点所受拉伸载荷图 2 钢质钻杆的 S N 曲线根据式 (1) 绘制出 S - 135 钻杆产生疲劳的狗腿 度曲线 (图 3) 。 890699183t2= 138015 MPa6145 ×10 - 4确定该点最大许可弯曲应力1380155000b2= 1500 (1 -) = 1085185 MPa确定该点 K 值890699183K =2106 ×105 × ( 011274 -011084) 图 3 S135 钻杆产生疲劳的狗腿严重度 (井眼曲率)注 :无疲劳裂纹区腐蚀非常严重的情况乘 016应用以上理论 ,把轮古 13 井的相关数据代入相 关公式进行计算 。分别以其中第 1 次刺漏和第 15 次刺漏为例 ,计算结果如下 :(1) 第一次刺漏 。井深 4 854 . 48 m , 刺漏位置1 902 m ,浮力系数 0. 875 ,为简化计算 ,不考虑钻铤 、加 重钻杆 ,假设 1 902 m 以下至井底 4 854. 48 m 全为Ø127 钻 杆 , 壁 厚 为 9. 19 的 Ø127 钻 杆 单 位 重 量 为284158 N/ m ,内径 01108 m ,则截面为 61452 ×10 - 4m2 。确定 1 902 m 点所受的拉伸载荷为64= 018417确定该点最大允许狗腿度261381085185××C2=2106 ×105 ×01127tanh (018417 ×4175) = 3146°/ 30m018417 ×4175从实测的井身轨迹看 1 8751 900 m 狗腿度为5 . 72°/ 30 m ,远远大于理论允许最大狗腿度 。 钻杆本身的薄弱部位和应力集中区就是加厚过渡带 ,由以上的计算可知 ,轮古 13 井在 (下转第 52 页)© 1994-2014 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. ·52 ·钻 采工 艺2003 年高冲程利用率和系统效率的有效手段之一 ,特别是深井抽油井显得更为重要 。通过对油管的锚定 ,可 减少由于抽油过程中油管的弹性伸缩引起的冲程损 失 ,提高冲程利用率 。补偿器主要和油管锚配套使 用 ,是为了弥补油管被锚定后 ,油管因热胀冷缩 ( 热化清时) 产生的伸缩量 ,防止管柱弯曲或损坏 。5 . 井口密封盒由于部分抽油机井的光杆中心线与盘根盒中心 有一定偏移量 ,从而在工作过程中使盘根发生偏磨 , 摩擦阻力增大 ,盘根寿命短 ,并易产生泄漏 。为了解决这一问题 ,一方面可对井口及抽油机进行调整 ;另 一方面研制或选用新型盘根盒 。可采用强制扶正 、 变光杆与盘根盒滑动摩擦为滚动摩擦 ,同时可水平 调心 ,消除偏心产生的侧压应力 ,降低摩阻 ,以提高 系统效率 。6 . 扶正器和刮蜡器下部抽油杆在下冲程时常发生弯曲变形导致抽 油杆与油管摩擦 ,井斜段抽油杆在上下冲程均将与 油管发生摩擦 ,不仅使管杆摩损 ,而且使杆柱负荷大 大增加 ,降低抽油系统效率 。多数油井在上部井段结蜡 ,结蜡不仅增加过流阻力 ,而且增加管杆摩擦 , 也将降低抽油系统效率 。为此 ,应选配或研制新型 刮蜡器和扶正器 , 减少管杆摩擦 , 提高抽油系统效 率 。7 . 玻璃钢抽油杆在含砂量少的中深井中 ,大力推广应用玻璃钢 抽油杆 。玻璃钢杆比钢杆一方面密度小 ,可大大减 轻抽油机负荷 ;另一方面弹性模量小 ,当杆柱设计和 抽油机冲程 、冲次组合协调 ,抽油泵可实现较大的超 行程 。从而达到提高抽油系统效率的目的 。及动液面 ,较精确计量油井产液量和产气量 ,及时分析测试和计量资料 ,利用机抽井综合设计计算软件 对机抽系统进行优化设计 ; 及时进行调参或进行检 泵作业 ,配套和调整相应的硬件设备 ;根据分析计算 结果 ,及时调整抽油机的平衡度 ,使抽油机工作时平衡度达到 85 %120 % ; 适当调节皮带及盘根盒的 松紧 ;加强对抽油机各运动机构的滑润 ,减少连杆机 构的磨损 ;避免油井非正常漏失等 。另外 ,采用控制技术可以减少抽油机的耗电量 ,提高深井泵的泵效 ; 利用变速控制技术使抽油机负 荷变化均匀 ,减少耗电 ;采用节能控制箱保证在抽油机负荷较低时 ,自动减少电动机的输入功率 。结束语为提高整个抽油系统效率 ,必须从软件和硬件 着手 ,研制 、应用提高抽油系统效率优化设计软件及 节能抽油系统配套装置 ,同时加强对抽油井的日常 管理 。针对油田普遍存在的系统效率低的问题 ,西 南石油学院通过与多个油田的合作 ,经多年的研究 , 已在提高抽油系统效率的技术上形成了配套技术 , 取得了显著的成效 。在与克拉玛依某油田合作研究 过程中 , 使该油田试验的 50 口井平均系统效率由17 . 19 %提高到 24 . 3 % , 且产液量 ( 产油量) 明显提 高 ,获得了十分显著的经济效益 。参 考 文 献1催 振 华 , 等 . 有 杆 抽 油 系 统 . 北 京 : 石 油 工 业 出 版 社 ,1994. 3胡博中 ,等 . 有杆抽油系统的优化设计. 石油钻采工艺 ,1990. 2刘泸雄. 提高有杆泵系统效率的 途 径 及 方 法. 石 油 技 术 ,1990Grault , R. H. Designing a Sucker - rod Pumping System forMaximum Efficiency. J PT(Nov. ,1987) 28490( 编辑 :刘英)23加强机抽井日常管理为提高抽油井的系统效率 ,应加强对抽油井的 日常管理 。包括定时测试抽油井示功图 、井底流压4(上接第 4 页)旋转钻进过程中 ,1900 m 处的钻杆正处于狗腿严重 度处 ,且实际狗腿度已大于不会引起疲劳破坏的理 论狗腿最大允许曲率 。这就是钻杆在 1 900 m 左右 频繁发生刺漏的根本原因 。社 ,1988 年一版N·J 亚当斯 1 钻井工程 整套油井设计方法 1 北京 :石 油工业出版社 ,1992 年一版( 编辑 :黄晓川)2参考文献赵国珍 ,龚伟安 1 钻井力学基础 1 北京 :石油工业出版1© 1994-2014 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. ·1 ·Vol . 26 No . 3 May 2003DRILL ING&PRODUCTION TECHNOLOGYmethod and situation of the wellbore mechanic stability theory.ABSTRACTSAPPL ICATIO N OF THE THEO RY ABO UT IN2FL UENCE OF HOL E INCL INATIO N O N D RILL ING TOOL IN WELL“L UNGU - 13”Guo Ha iqing ( TARIM Engineering and Technology Service Company of the TARIM Petroleum Exploration and Exploitation Headquarters , Kuerle , Xinjiang 841000 , Chi2 na) and MA Yongan ( The Third Exploration Company of the TARIM Exploration and Exploitation Headquarters) ,DPT 26 (3) ,2003 :14Abstract :A set of 127mmS135 drill pipe was used during the drilling of the length of 05450 merter in the well“Lungu - 13”. 17 times of washout were happened onthe 127mm drill pipe hardbanding ( near the tool joint pin and box) . After completion and electrologging , it found that there is a big dogleg in the depth of 1900 meter ,up to5 . 72°/ 30 meter . The related theory that the drilling tool isaffected by the inclination of the well had proved the fact :if the angle of the well is greater than a threshold , there will be serious fatigue and damage on the drill pipe when the drill pipe rotates at the dogleg. The biggest permissible curvature of the dogleg that could not cause fatigue and damage can be calculated by the formula . The article proved that the main reason that the drill pipe was washedfrequently in the well“Lungu - 13”is the affection of theinclination of the well .Key words : Wellbore stability ,styles of rock disin2 tegration ,stress EOS , high angle deviated hole , horizontal wellRESEARC H OF CO RING TEC HNOLO GY IN COAL BED GAS RESERVOIRZHO U Qiang and CHEN Li ( Sichuan PetroleumCoring Center , Guanghan , Sichuan 618300 , China) , DPT26 (3) ,2003 :1112Abstract :The coalbed gas resource in China is very abundance . Compared with oil and gas reservoirs ,coalbed gas reservoir is buried much shallower ,collap se and pollu2 tion will easily happen because of its good development of micro - pore and fracture with poor mechanical strengthand porosity. The tool and technology of coring in coalbed gas well are different from conventional coring operationsin order to ensure the high coring recovery and accurately measure content of coalbed gas. According to the conven2 tional coring operations in two coalbed gas wells in LiuPanshui area in Guizhou , through studying of the field tools and coring technology and applications of coring bit , this paper mainly discusses the geologic complexity of coalbed coring , and proposes the special technique ofcoalbed coring operations and the authors views aboutthis technology.Key words : Well Lungu - 13 , drill pipe pierce2ment ,deviation angle ,threshold ,drill pipeKey words : coalbed gas , coal measure formation , coalbed coring ,coring technology ,technical measureAPPL ICATIO N OF RAPID D RILL ING TEC H2NOLO GY O N SOL ID FREE D RILL ING FL UID INWELL AN 2010ZENG Hongtu ,MENG Weidong and WU Tianqian( Henan Petroleum Drilling Co . , Nanyang , Henan473132 ,China) ,DPT 26 (3) ,2003 :56Abstract :Taking geologic general condition , drilling case , feasibility , technical measwres , application results etc . aspect as the point of departure ,this paper introducesthe application of rapid drilling technology on solid free drilling fluid in well AN 2010 . Using the technology can improve penetration rate and decrease drilling cost . Mean2 while ,5 suggestion is proposed on rapid drilling.THE FEATURES OF LOST CIRCUL ATIO N AND ITS PREVENTIVE MEASURES IN S HALLOWWELLIN MAJ INGGASFIELDOFWEST SIC HUANWANG Shunyun ( West Sichuan Oil and Gas Ex2ploration Project Department of Southwest Petroleum Bu2reau ,Sinopec ,Deyang , Sichuan 618000 , China) , DPT 26 (3) ,2003 :1314Abstract :This article analyzes and sums up the fea2 tures of lost circulation in drilling opera